- 1 -
Optoelektronika
Optoelektronika je technická disciplína, ktorá sa zaoberá spôsobmi spracovania a
praktického využitia elektrických a optických signálov. V optoelektronike preberá úlohu
elektrického signálu zväzok svetelných lúčov.
Elektromagnetická podstata optického žiarenia:
Porovnaním vlastností šírenia optického žiarenia a elektromagnetického žiarenia
centimetrových vlnových dĺžok , bola preukázaná elektromagnetická podstata optického
žiarenia. Obor optického žiarenia zahrňuje oblasť vlnových dĺžok od 10 nm do 1 mm.
Optické žiarenie sa šíri rovnakým spôsobom ako rádiové vlny takže je to
elektromagnetická energia, ktorá sa vo vákuu šíri rýchlosťou svetla c = 3,108 m.s
-1
. Podstatne
sa ako elektromagnetické vlnenie líši od rádiových vĺn predovšetkým vyšším kmitočtom f a
preto aj kratšou vlnovou dĺžkou λ:
λ =
𝑐
𝑓
[68]
Oblasť optického žiarenia leží medzi vlnovou dĺžkou λ = 100 µm (ďaleké infračervené) a
λ = 10 nm (ďaleké ultrafialové).Oblasť viditeľného svetla je len malou časťou optického
žiarenia a leží medzi vlnovými dĺžkami λ = 780 nm (červené) a λ = 380 nm (ultrafialové).
Svetlo je elektromagnetické žiarenie, ktoré je vďaka svojej vlnovej dĺžke viditeľné okom, alebo
všeobecnejšie je to elektromagnetické vlnenie od infračerveného po ultrafialové. [69]
Obrázok 1 Škála optického žiarenia
Energia optického žiarenia je sústredená v určitých časticiach, ktoré Albert Einstein nazval
fotóny. Fotón je nedeliteľnou časťou a má energiu, ktorá je úmerná kmitočtu optického
žiarenia, energia fotónu narastá s narastajúcim kmitočtom. [70]
Zdroje svetla sú jednou z hlavných zložiek optického spoja. Používajú sa polovodičové zdroje
označované ako nekoherentné zdroje (luminiscenčné diódy- LED diódy )a laserové diódy (LD)
inak nazvané koherentného zdroje.
- 2 -
Keďže zdroje optického žiarenia sú dôležitou súčasťou optokomunikácii sú kladené rôzne
požiadavky a to:
− Účinnosť prevodu energie elektrickej na optickú
− Použitie žiarenia na vlnových dĺžkach, kde útlm vlákien je najmenší
− Použiteľnosť pri izbových teplotách
− Jednoduchá modulovateľnosť, najmä pomocou napájacieho prúdu
− Úzka smerová charakteristika žiarenia
− Jednoduchá nadväznosť generujúceho zariadenia na optické vlákno
− Minimalizácia
Laserové diódy ponúkajú vyšší vyžarovací výkon, veľmi dobrú väzbu na vlákno, možnosť
modulácie do vyšších frekvencií (GHz) a malé rozmery. Medzi nevýhody LD patria vyššie
požiadavky na napájanie, teplotné stabilizáciu, sú poruchovejšie a v neposlednom rade drahšie.
Pre menej náročnejšie optické prenosy, na krátke vzdialenosti sa používajú LED zdroje. Naopak
tam, kde je potrebné vysoký výkon na veľké vzdialenosti, sa siahne po laserových diódach. [71]
Obrázok 2 Laserová dióda s popisom jej častí
Detektory optického žiarenia premieňajú optické žiarenie na odpovedajúci elektrický signál.
Polovodičové detektory optického žiarenia k svojej činnosti využívajú vlastnosti p-n
priechodu. Keď je p-n priechod upravený tak, aby na jeho povrch mohlo dopadať optické
žiarenie môžeme vytvoriť fotocitlivú súčiastku. Často používanými polovodičovými
materiálmi sú kremík (Si Arzenid (GaAs), Antimonid India (InSb), Arzenid India (InAs) a
ďalšie. Tieto materiály absorbujú optické žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok 250 nm až 1100
nm –Si, 800 nm až 2μm GaAs ...
- 3 -
Obrázok 3 Fotodióda a jej realizácia
Pokiaľ nedopadá na polovodič optické žiarenie, dochádza k excitácii (budeniu) elektrónov do
vodivostného pásu, iba tepelnou energiou. Po ožiarení získavajú elektróny vyššiu energiu a ak
je dostatočná na prekonanie zakázaného pásu, prechádzajú do vodivostného pásu. Vzniká
generácia páru dieraelektrón. Pohltenie – absorpcia optického žiarenia závisí na vlnovej dĺžke.
Optické žiarenie s krátkou vlnovou dĺžkou je absorbované v tenkej povrchovej vrstve diódy
(1μm) a pre väčšie vlnové dĺžky je polovodič priehľadný. Si pri dĺžke 120 nm.
- 4 -
Obrázok 4 V/A charakteristika fotodiódy
Optické prijímače:
Fotovoltaický jav = vybudenie páru elektrón (-) diera (+), ako presun nosičov náboja do oblasti
s odpovedajúcimi typmi vodivosti.
Obrázok 5 Fotovoltaický článok a jeho časti
Pri pohltení optického žiarenia sú v okolí p-n priechodu elektróny a diery vzniknuté pôsobením
optického žiarenia oddelené takým spôsobom, že elektróny prejdú do oblasti s vodivosťou typu
n a diery do oblasti s vodivosťou p. Vytvoria na každej strane p-n priechodu elektrický náboj,
ktorý môžeme zistiť na vývodoch diódy.
Tento presun elektrických nábojov sa označuje ako vnútorný fotoefekt. Účelom fotodiódy je
priviesť náboje vzniknuté pôsobením optického žiarenia na jej elektródy pred tým než by
rekombinovali.
- 5 -
Fotodióda je plošná polovodičová dióda konštrukčne upravená tak, aby do oblasti PN
priechodu preniklo svetlo. Ak priechod nie je osvetlený, voltampérová charakteristika
fotodiódy má rovnaký priebeh ako charakteristika plošnej diódy. Polovodičový prvok určený
predovšetkým pre detekciu zmien svetla a premenu svetla na elektrický prúd/ napätie.
Obrázok 6 Schematická značka fotodiódy
Základné zapojenia diódy:
Fotodióda môže pracovať podľa V- A charakteristiky v III. A IV. kvadrante, z čoho vyplývajú
dva základné režimy činnosti:
− Režim odporový - fotovodivostný, kedy sa dióda správa ako spotrebič obvodu
napájaného z vonkajšieho zdroja
Obrázok 7 Fotovoltaický (odporový) režim činnosti
− Režim hradlový - fotovoltaický, kedy dodáva prúd do pripojenej záťaže
- 6 -
Obrázok 8 Fotovoltaický (hradlový) režim
Fototranzistor je druh polovodičového fotodetektora, konštrukciou zhodný s bežným
bipolárnym tranzistorom. Využíva rovnako ako fotodióda vnútorný fotoelektrický jav, vďaka
ktorému sa generujú nosiče náboja pri osvetlení. [72]
Obrázok 9 Schematická značka fototranzistora
Podstatná je generácia nosičov náboja v báze tranzistora, vďaka čomu nastáva zosilňovací jav
rovnako ako u bežného použitia tranzistora. Vďaka tomuto je citlivosť fototranzistora pri
rovnakej ploche väčšia ako u fotodiódy, avšak iné parametre (najmä rýchlosť, ale aj šumové
parametre) sú horšie.
Obrázok 10 Fototranzistor
- 7 -
Fototyristor:
Štvorvrstvová štruktúra PNPN fototyristora je umiestnená v puzdre s priehľadným okienkom,
ktoré umožňuje, aby do oblasti priechodu J2 mohlo prenikať svetlo.
Obrázok 11 Schematická značka fototyristora
Súčiastka má vyvedenú riadiacu elektródu G a v tme má rovnaké vlastnosti ako tyristor
ovládaný prúdom. Ak nastavíme určitý riadiaci prúd IG a budeme meniť osvetlenie, zistíme,
že blokovacie napätie UB sa pri zväčšovaní osvetlenia zmenšuje. Túto skutočnosť znázorňuje
voltampérová charakteristika uvedená nižšie.
Obrázok 12 V/A charakteristika fototyristora
Dôležitou veličinou je spínacie osvetlenie ET, pri ktorom zaniká blokovacia schopnosť
fototyristora pri napätí UAK > 0. Veľkosťou prúdu IG môžeme riadiť citlivosť fototyristora na
intenzitu osvetlenia, pri ktorom fototyristor spína.
Použitie:
Spínacie a riadiace obvody ovládané svetlom, ochranné zariadenia strojov, optoelektronické
obvody, optróny a podobne. [73]
- 8 -
Fotorezistor je polovodičový jednobran bez priechodu p-n v ktorom pohlcované optické
žiarenie vyvolá zmenu elektrickej vodivosti vplyvom fotoelektrického javu. Veľkosť odporu je
nezávislá na smere prietoku prúdu.
Obrázok 13 Schematická značka fotorezistora
Fotorezistory sú vyrábané z nedotovaného polovodičového materiálu s intrizickou vodivosťou
tak, aby mali veľký pomer odporu za tmy k odporu pri osvetlení.
Obrázok 14 Fotorezistor
Optrónom – optoelektronickým väzobným členom nazývame elektronickú súčiastku v ktorej
je vnútorná väzba medzi vstupným a výstupným signálom sprostredkovaná optickým signálom
spravidla v infračervenej oblasti optického spektra.
Základom optrónu je optrónová dvojica – ktorú tvorí:
− Zdroj optického žiarenia
− Detektor optického žiarenia
Optróny vyrábané pre aplikácie v analógových lineárnych obvodoch majú dobrú linearitu a
sú používané pre galvanické oddelenie častí analógových obvodov.
Obrázok 15 Optočlen (optrón)
Sú vyrábané v niekoľkých základných vyhotoveniach. Hlavnou vlastnosťou lineárneho optrónu
je lineárny vzťah medzi výstupnými a vstupnými veličinami. To sa dosahuje prevádzkou v tzv.
„servo režime“ ktorý kompenzuje nelinearity LED.
- 9 -
Obrázok 16 Schematická značka optrónu
Optróny vyrábané pre aplikácie v digitálnych logických obvodoch sú určené pre prenos
dvojhodnotových signálov- s dvomi úrovňami signálu a preto je ich realizácia podstatne ľahšia
ako lineárných optrónov.
Obrázok 17 Obvod optrónu
Optróny pre aplikácie v logických obvodoch - praktické využitie:
− Vo výpočtovej technike:
a) k realizácii rozhrania medzi počítačom a perifériami
b) k ovládaniu záložných zdrojov
− V riadiacich systémoch
− V meracích systémoch
− V telekomunikačných systémoch
− V zariadeniach spotrebnej elektroniky
- 10 -
LED dióda:
Prvá komerčná LED dióda bola červená (R),ale pre osvetlenie musíme mať3 základné farby
svetla – RGB. Až v roku 1995,sa podarilo inžinierovi Nakamurovi, v laboratóriách firmy
Nichia Chemical Industries, vyvinúť z modrej (B) a zelenej (G) štruktúry účinnú
heteroštruktúru GaN umožňujúcu dosiahnúť biele svetlo.
Obrázok 18 Popis LED diódy
Diódy LED s bielym vyžarovaným svetlom majú pomerne veľkú zložku modrej kvôli
spôsobu ako sú konštruované.
Obrázok 19 Graf citlivosti aspektov na ľudské videnie
- 11 -
Najdôležitejšie materiály, ktoré sa používajú pri výrobe svetlo vyžarujúcich diódach (LED),
pre každý z rôznych oblastí spektra.
Obrázok 20 Kombinácie polovodičových kompozícií
Biele svetlo môže byť vytvorené zmiešavaním svetla rôznych farieb, najbežnejšie použitím
červenej, zelenej a modrej(RGB).Preto sa táto metóda označuje ako viacfarebná biela LED
(alebo LEDky RGB). Pretože obvody pre miešanie farieb potrebujú riadenie a diódy majú aj
tak odlišné emisné vlastnosti používa sa táto metóda zriedka. Napriek tomu je táto metóda
zaujímavá v mnohých použitiach, pretože poskytuje flexibilitu pri miešaní farieb má vyššiu
kvantovú účinnosť pri výrobe bieleho svetla.
Obrázok 21 RGB model
- 12 -
Výhody:
− Excelentne CRI
− Vysoká účinnosť osvetlenia lm/watt
− Teplota farby môže byť nastaviteľná individuálne tromi zložkami
− Účinnejšia v porovnaní s bielou LED na báze fosforu
Nevýhody:
− Pomerne obtiažné získať „čistú“ bielu farbu
− Vznikajú farebné variácie „lampy“ na biele svetlo
Diódy LED jednofarebné alebo viacfarebné môžu byť kombinované do rožných zoskupení
slúžiacich ako informačné zobrazovače stĺpcových grafov, obrazoviek a najrôznejších
displejov.
Sedem segmentová zobrazovacia jednotka obsahuje sedem samostatných diód LED vo forme
segmentov usporiadaných v jednom celu tak, že tvoria segmenty čísla 8.Poskytuje veľmi
pohodlný spôsob ako zobraziť-ak sú správne dekódované-digitálne údaje alebo informácie,
čísla písmená a dokonca aj alfanumerické znaky.
Obrázok 22 Princíp sedem segmentového displeja
Sedem segmentový zobrazovač tvorí 7 segmentov usporiadaných do symbolu dekadického
čísla 8, pričom niektoré majú na pravej alebo aj na oboch stranách bodku (DP).
V elektronických zariadeniach sa často používa so 7 segmentovou dekodér BCD kódu.
Dekodér má za úlohu interpretovať kód (BCD) a generovanie signálov pre zobrazenie
zodpovedajúceho čísla tohto kódu na 7 segmentovom displeji.
- 13 -
Obrázok 23 BCD kódovanie
Maticový bodový displej je veľmi podobný 7 segmentovému, maticu tvoria diód LED v
usporiadanom formáte 7x5 alebo 8x8.Na rozdiel od displeja 7 segmentového, ich nemožno
zapojiť súčasne, iba jeden stĺpec naraz. Zobrazovanie informácii sa realizuje tzv. multiplexným
ovládaním a zapojením...
Multiplex je to aktivácia zobrazenia určitého znaku displeja, len na určitý krátky čas pričom
ostatné znaky sú neaktívne. Keď je frekvencia takto postupne zapínaných znakov za sebou
dostatočne vysoká (50 Hz a viac ), ľudské oko vníma zobrazenie všetkých znakov ako spojitý
obraz.
Tekuté kryštály boli objavené v roku 1888 na Nemeckej univerzite v Prahe botanikom F.
Reinitzerom. V roku 1922 v Paríži vykonal G. Freidel mnoho experimentov a bol prvý, kto
zistil, že molekuly tekutých kryštálov sa orientujú v smere elektrického poľa. Po mnoho rokov
boli považované len za určitú kuriozitu a počet publikácií im venovaný narastal veľmi pomaly.
Situácia sa zmenila až v 60. rokoch minulého storočia, kedy sa ukázalo, že kvapalné kryštály
sú materiály vhodné pre konštrukciu elektrooptických zobrazovačov (displejov) a neskoršie aj
kvapalné kryštalické obrazovky (notebooky, divadelné projekčné systémy, zbraňové systémy,
lekárske prístroje, navigačné počítače, digitálne hodinky, vreckové televízie, benzínové
čerpadlá, parkovacie hodiny, telekomunikačné systémy, mobilné telefóny a pagery,
vysokorýchlostná výpočtová technika, digitálne značky, elektronické hry, elektronické diáre,
elektronické knihy, kalkulačky, digitálne kamery, teplomery, atď.).
- 14 -
Obrázok 24 Displej s kvapalnými kryštálmi
Štruktúra a fázy tekutých kryštálov
Väčšina látok existuje v troch skupenstvách: pevnom, kvapalnom a plynnom. Rozdiely medzi
týmito stavmi materiálov, sú vo vnútornom usporiadaní, ktoré je závislé od teploty a tlaku.
Pri nízkych teplotách kedy je materiál v pevnom stave, sa atómy, ióny alebo molekuly
nemôžu voľne pohybovať. Ich jedinými pohybmi sú teplotné vibrácie okolo rovnovážnej
polohy. Zvýšenie teploty vedie k silnejším vibráciám. Pri určitej teplote sa „väzby“ medzi
pevným a kvapalným stavom natoľko uvoľnia, že nastane voľný pohyb molekúl, kedy do seba
vzájomne narážajú a menia smer pohybu. Tepelná energia však nie je tak vysoká, aby stačila
na prekonanie polohového usporiadania molekúl. Až po zvýšení energie je polohové
usporiadanie a látka prechádza do plynného skupenstva.
Obrázok 25 Tekutina, tekutý kryštál a pevný kryštál
Niektoré organické látky sa ale vyskytujú vo viacerých skupenstvách než len v pevnom a
kvapalnom. Tieto látky sa označujú ako kvapalné (tekuté) kryštály a ich molekuly sa označujú
ako mezogény. Ich odlišné fázy medzi pevným a kvapalným stavom sú kvapalné kryštalické
fázy, ktoré označujeme ako mezofázy. Molekuly týchto látok sú väčšinou úzke a dlhé. Kvapalná
kryštalická fáza má niektoré vlastnosti kvapalnej ale aj pevnej fázy. Látka je tekutá ako
kvapalina, ale jej molekuly majú anzitópne optické, elektrické a magnetické vlastnosti ako
pevná látka. Orientované usporiadanie molekúl tekutých krištáľov spôsobuje mnoho
zaujímavých optických javov. Dochádza k zmene polarizácie svetla, ktoré nimi prechádza v
závislosti na polohe molekúl materiálu. Ďalšia významná vlastnosť je správanie v elektrickom
poli.
- 15 -
Charakteristika tekutých kryštálov:
Tekuté kryštály sú chemické zlúčeniny, predovšetkým buď aromatického typu – pôvodom z
benzénového jadra alebo alifatického typu– vychádzajú z necyklických jadier metánu.
Vyznačujú sa tým, že pri istom rozsahu teplôt u nich existuje stabilná medzifáza, prechod
medzi usporiadaním molekúl v izotrópnej kvapaline a usporiadaním molekúl v kryštalickej
pevnej látke.
Medzifáza sa označuje ako mezofáza danej látky. Kryštály sa v mezofázi - ktorá môže mať
niekoľko typov, vyznačujú pravidelným usporiadaním svojich väčšinou pretiahnutých
polymérových a dimérových molekúl. Väzby molekúl v usporiadanom stave nie sú príliš
silné, preto sa látka v mezofázi stále javí ako viskózna kvapalina, ktorej molekuly sa môžu
pohybovať vo vrstvách alebo v určitých smeroch s malým vnútorným trením.
Pohyb molekúl môže byť vyvolaný nielen mechanickým vplyvom, ale ho môže spôsobiť aj
vhodne orientované elektrické alebo magnetické pole, pretože molekuly vykazujú v látke
dielektrickú a magnetickú anizotropiu. Zmena usporiadania molekúl vyvolaná niekto- rým z
týchto vplyvov má za následok zmenu optických vlastností kryštálu.
Typy kvapalných kryštálov:
Vyskytuje sa viac typov štruktúr tekutých kryštáľov, ktoré sa navzájom od seba líšia
usporiadaním ich molekúl. V súčasnosti sú k dispozícii tieto tri hlavné typy štruktúr:
Nematický typ:
− všetky molekuly štruktúry sú usporiadané vzájomne rovnobežne a v smere pozdĺžnej
osi sa môžu posúvať
Smektický typ:
− všetky molekuly sú aj pri tomto type usporiadané vzájomne rovnobežne avšak sú
usporiadané vo vrstvách, ktoré sú kolmé na ich pozdĺžnu osu.
Cholesterinický typ:
− podobne ako pri smektickom type sú molekuly vo vrstvách a molekuly ležia
paralelne k rovinám vrstiev. Okrem toho je smer natočenia molekúl v jednotlivých
vrstvách vždy väčší čím sa vytvára usporiadanie v podobne skrutkovice.
− pre praktické využitie vo forme displejových zobrazovacích jednotiek sa najviac
využíva nematický typ štruktúry
Princíp činnosti zobrazovacích jednotiek s nematickým typom štruktúry využíva pre
riadenie jednotky:
− princíp dynamického rozptylu
− princíp pootočenia
- 16 -
Princípy činnosti displejov riadených elektrickým poľom:
Rexlexný typ:
Vyžaduje vonkajšie osvetlenie zo strany pozorovateľa. Pre osvetlenie sa používa optické
žiarenie okolitého prostredia. Zobrazenie je kvalitné vonku za dňa alebo v dobre osvetlených
priestoroch budov. Čelné optické žiarenie dopadajúce na displej je k pozorovateľovi odrážané
pomocou zrkadla na zadnej časti displeja. Použitie? kalkulačky, hodinky. Nepatrná spotreba,
dlhá životnosť napájacieho zdroja.
Obrázok 26 Ukážka reflexného typu displeja na kalkulačke
Transmisný typ:
Aby bolo možné sledovať zobrazenú informáciu, je potrebné umiestniť zdroj osvetlenia za
displej. Aby bolo možné displej presvetliť je zadná časť priehľadná. Displeje pracujú
najlepšie pri horšom okolitom osvetlení.
Obrázok 27 Ukážka transmisného typu displeja
Transflexný typ:
Je kombináciou oboch predchádzajúcich-reflexného a transmisívneho. Zadné osvetlenie môže
byť podľa podmienok osvetlenia zapnuté , alebo vypnuté. Pri dobrých svetelných podmienkach
prostredia sa tak znižuje spotreba.
Podsvietenie môže byť farebné a možno ho realizovať:
− pomocou LED diód
− pomocou elektroluniscenčnej fólie
− pomocou fluorescenčných lámp [74]
